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铝电解预焙阳极电解槽的介绍与展望  

2017-11-16 19:48:39|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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铝电解预焙阳极电解槽的介绍与展望

摘要:本文主要是对电解铝工业生产中的主要设备——电解槽的相关介绍,重点讲述预焙阳极电解槽的相关技术参数、指标、工艺等指数。其后介绍现代关于铝电解槽的新工艺、新设备。

关键词:  电解槽  预焙阳极  阳极炭块  阴极炭块

    电解铝就是通过电解得到的铝。现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂,氧化铝作为溶质,以碳素体作为阳极,铝液作为阴极,通入强大的直流电后,在950-970℃下,在电解槽内的两极上进行电化学反应,既电解。

abstract: this article is mainly to the aluminum industrial production of main equipment-electrolytic cell related introduction, focuses on pre-baked anode cell related technical parameters, index, craft index. Introduced by modern about aluminum cell of new technology, new equipment.

 Key words: pre-baked anode cell anode block cathode carbon blocks

     Aluminum electrolytic aluminum is through get. Modern aluminum industrial production adopts BingJingShi-alumina melts salt by electro-dialysis. Molten BingJingShi is solvent, alumina as solute, with carbon body is used as an anode, liquid aluminum as a cathode, ventilation with powerful dc, in 950 -970 , the poles in the electric in the electrochemical reactions, both electrolysis.

 

预焙阳极电解槽的介绍

电解槽是电解炼铝的核心设备,一百多年来铝电解槽的结构有了许多改进,其中以电解阳极的变化最大。其经历的顺序大致是:小型预备阳极→侧部导电自焙阳极→上部导电自焙阳极→大型不连续预焙阳极→中间下料预焙阳极。

预焙阳极电解槽

    该电解槽由阳极装置、阴极装置和导电母线系统三大部分组成。

1.1 阳极装置

     它包括三部分:阳极母线大梁、阳极炭块组和阳极升降机构

1.1.1 阳极炭块组

     预焙槽有多个阳极炭块组,每一组包括23块预制炭块。炭块、钢爪、铝导杆组装成电解用阳极。钢爪由高磷生铁浇铸在炭碗中,与炭块紧紧地黏在一起,铝导杆则是采用渗铝法和爆炸焊与钢爪焊在一起的。铝导杆通过夹具与阳极母线大梁夹紧,将阳极悬挂在大梁上。炭块组数取决于电解槽的电流强度、阳极电流密度以及炭阳极块的几何尺寸。如180KA预焙槽,若阳极电流密度为0.7A/cm2左右,阳极规格为1520*585*535mm),即可算出阳极炭块为30炭。

1.1.2 阳极母线大梁

     阳极母线大梁承担着整个阳极的重量,并将电流通过阳极输入电解槽。它由铸铝制成,由升降机构带动上下移动,以调整阳极的位置。

1.2  阴极装置

它由钢制槽壳、阴极炭块组和保温材料砌体三部分组成。

1.2.1槽壳

     铝电解槽的槽壳是用钢板焊接,或铆接而成的敞开式六面体。分为有底和无底槽壳;并有背撑式和摇篮式两种。目前多采用有底槽。

     无底槽壳是个空的框架,底没有钢板。槽壳四周和底部用钢筋和工字钢加固。

1.2.2 阴极炭块组

  它包括阴极炭块和钢棒。钢棒镶嵌在阴极炭块的燕尾槽内,也是用高磷生铁浇铸,使铁棒和炭块紧密连接在一起。

   石墨化及半石墨化炭块具有质地均匀,导电、导热性好等优点。

1.2.3 保温耐火砌体

    它由各种耐火砖、保温砖砌筑而成。在槽壳中自下而上一般砌有23层石棉板,铺有一层70mm厚的Al2O3粉,再砌上23层硅藻土保温砖、2层黏土砖、捣固(热捣或冷轧)一层炭素糊,最后按错缝方式安放好阴极炭块组、炭块间的缝隙要用底糊捣实填充。槽壳与其上窗口(阴极棒引出口)各处,均须用水玻璃、石棉灰调和料密封,以免在生产中炭块与空气接触而氧化。

    电解槽的四侧由外至里地砌有石棉板(或作为伸缩缝)、耐火砖和侧部炭块。由槽壁内衬和槽底炭块围成的空间称为槽膛,其深度一般是500600mm。槽膛四周下部用炭糊捣固成斜坡,称为人工伸腿,以帮助铝液收缩于阳极投影区内。

1.3 导电母线及其配置

铝电解的导电母线系统包括阳极母线、阴极母线、立柱母线和槽间连接母线。它们都是用大截面的铸铝板。除此之外,还有阴极软母线和阴极小母线,前者用于立柱和阳极母线的连接,后者则用于阴极阴极钢棒和阴极母线之间的连接。

导电母线系统最重要的是母线的配置以及母线经济电流密度的选择,前者取决于控制电解槽的磁场分布的要求,后者则由电能消耗和基建投资的优化结果所决定。母线配置一般有纵向和横向两种配置方式。现代大型预焙槽多采用横向配置。

连续式预焙阳极电解槽

这种电解槽仅在西德个别厂使用,电流强度为110120KA。它的显著特点是采用一种特制的炭糊将预制阳极块粘接在快耗尽的阳极上,炭糊在电解过程的高温下焦化,而将新旧阳极块结成为一个整体。电流从侧部导入。这种槽型与不连续预焙槽相比,消除了残阳极,阳极连续使用,无须更换阳极。同时也消除了因更换阳极而引起了电流分布不均、阳极消耗不匀的现象。而缺点是阳极接缝处电阻大,阳极结构复杂,热损失大。因而其技术经济指标低于不连续预焙槽。

预焙电解槽的发展及相关技术

现代预焙电解槽的介绍

沈阳铝镁设计研究院长期致力于铝冶炼技术的研究与开发。在七十年代末,开创了中国大型预焙阳极电解槽生产的历史;在九十年代,应用先进的数学模型和设计软件,成功地解决了电解槽生产过程中的磁流体稳定性问题、热平衡问题和槽壳受力变形问题,开发出SY系列大型预焙阳极电解槽,即SY160/170SY190/200SY230/240SY280/300SY350,可以满足不同规模铝厂建设的需要。经过生产实践证明,SY系列电解槽具有合理的母线配置、稳定的磁流体稳定性、良好的热平衡、合理的槽壳结构、结构简单的传动系统和智能多模式电解槽控制系统等特点。沈阳铝镁设计研究院还开发了自焙槽预焙化改造和预焙槽扩容技术。

沈阳铝镁设计研究院铝电解技术的开发和应用,为推动中国铝工业的发展和进步,为中国原铝产量位居世界第一位,奠定了技术基础。

磁流体稳定性在设计中SAMI使用数学模型和工程软件来优化并指导电解槽母线设计,全新的阴极母线配置不但可以很好地满足电解槽磁流体稳定性的设计要求,并且结构简单、方便施工安装、便于短路而且还具有良好的安全性。

2.1 SY系列电解槽母线设计

SY系列电解槽母线设计采用大面等电流进电方式,立柱母线位置的选定既有利于磁场的分布,又不妨碍生产操作。阴极母线采用非对称性配置,以补偿相临列电解槽产生的不利磁场。采用相同软件和技术设计的SY160/170SY190/200SY230/240SY280/300,其母线设计垂直磁场大小、磁场分布、铝液流速及铝液变形大小等测量结果与理论设计值十分吻合。

2.1.1 SY系列电解槽垂直磁感应强度设计值与测试值比较表

  垂直磁场的磁感应强度 单位 SY160 SY200 SY230 SY300

  设计值 测试值 设计值 测试值 设计值 测试值 设计值 测值

四个象限绝对值的平均值 GS 5.6 10.2 5.6 7.5 2.9 5.6 5.0 8.7 四个象限绝对值的最大值 GS 24.0 24.3 20.3 21.2 12.2 19.9 18.0 17.9

2.1.2 SY系列预焙阳极电解槽的主要技术参数

  序号 项 目 单 位 数 值

  1 电流强度 kA 160-300

  2 槽平均电压 V 4.18-4.20

  3 电流效率 % 93-95

  4 原铝直流电单耗 kW.h/t-Al <13600

  5 氧化铝单耗 kg/t-Al 1930

  6 氟化铝单耗 kg/t-Al 22

  7 冰晶石单耗 kg/t-Al 4

8 阳极毛耗 kg/t-Al <550

电解槽的运行工艺

针对这比电解槽的实际情况,须制定合理的清槽、补槽和焙烧启动方案。在总体思路上把握以成功启动为前提,以安全节能环保为原则,结合其放置时间长,且大部分槽有20吨固体铝的情况,采取保护性清炉、低成本补槽,低电压焦粒焙烧启动法和低效应、低氧化铝浓度控制策略。

3.1 清理电解槽

在确定清槽方案时,以保护阴极及上部结构为原则,采用核心技术将铝块分割后取出,并采取阴极表面防氧化措施保护阴极。主要考虑了以下几点:

1、由于停槽加冰晶石覆盖料时,阳极上有一定量的氧化铝,因此在清理极上料时,要将冰晶石与氧化铝尽量分开盛装,以备将来物料更好的利用。

2、在清理槽膛四周的结壳时,要避免碰伤侧部碳块。

3、槽膛内的铝块是一个大整体,厚度在10cm以上,重量达10余吨,而铝块的边部紧贴电解槽侧部,清理时各种工具很难施展,因此在清理时一定要谨慎,严禁碰坏侧部、拉伤阴极碳块。

3.2 修补电解槽
   
电解槽覆盖料、结壳、阳极和铝块被清出后,电解槽侧部和阴极部分破损比较严重,主要表现在:人造伸腿断裂、起层、渗铝严重;侧部碳块断裂、被浸蚀氧化、掉块;阴极碳块风化、断裂、起层、掉块;阴极碳块间缝开裂、渗铝等。鉴于以上情况的普遍存在,为保证电解槽的顺利启动,电解槽在清槽后必须经过修补才能进行投产。

在确定修补方案时,主要以阻止形成铝液通道为原则,采用热捣糊扎固需修补的炭间缝及人造伸腿,扎固时糊料温度控制在90-120℃、阴极表面温度加热到80-100℃,侧块基本不更换。针对电解槽不同的破损情况,一般采取针对性的修补方法:

1、针对人造伸腿出现裂缝、起层、剥落、渗铝的现象,要求对人造伸腿清除掉2-4层并重新进行扎固。

2、针对阴极碳块间缝开裂、渗铝的现象,要求将碳块间的糊料挖开10cm,渗铝部位最多20cm,重新进行扎固。

3、对阴极碳块起层、掉块的地方,要经过清理后用糊料进行填补扎固。

4、对阴极碳块本体所有可见缝隙,要求从缝隙处凿开1cm-2cm左右宽,用糊料进行填补。

5、对于有裂缝的侧块,要求用砂轮片将缝隙扩大,然后用糊料填抹修补。

4 电解槽的二次焙烧启动

4.1 焙烧启动方法的选择

考虑到本批二次启动槽运行时间短,炉底表面比较平整,我们采用焦粒焙烧法,可以在灌入铝液之前用高分子比电解质液体堵塞因焙烧形成的裂缝及通道。启动时采取低电压、低阳极效应系数,高分子比环保性启动方法,达到保护阴极、延长槽寿命、减少环境污染的目的。为了防止对槽边部和角部强烈的热冲击,造成槽边部和角部出现裂缝,采用湿法无效应启动。焙烧时间我们确定为96小时。二次焙烧送电很关键,电流上升梯度我们以120KA180KA240KA300KA为基准,电流送至240KA测量电流分布,确认无异常且冲击电压不大于5V后,再送下一个级别,停送电时间控制在30分钟内。

4.2 装炉操作及软连接的安装

由于电解槽启动后要求电解质分子比在2.8以上,如果装槽时使用普通的酸性冰晶石,就需要投入大量的纯碱来提高分子比,因此装炉时选用高分子比冰晶石,从而使纯碱的使用量大大减少。并在装炉时加入一定量的氟化镁来保护伸腿。为了加强电电解槽焙烧时槽中间的热对流,使焙烧温度分布均匀,防止中缝阴极表面氧化,同时启动前槽内有少量的液体电解质,我们采取中空装炉法。通电前在阳极导杆与阳极大母线之间安装软带连接母线。软连接与阳极导杆及阳极大母线接触的各部位安装前要打磨、清洗干净,各部位螺栓紧固好,确保软连接有足够的弯度,以防止接触不良发生打火现象或焙烧时阳极上升把软连接母线拉断。

4.3 安装的拆除分流器

由于14区电解槽阴极不平整度和焦粒厚度增加,电解槽通电时的冲击电压将上升,对电解槽的热冲击加剧。为了减小这种不利,我们采取在原分流器的基础上加焊分流片的方法,来增加分流量,原电解槽分流器为5/槽,每套分2组,每组8片,即在每组8片的基础上加焊19片。送全电流6小时后电压在3V以下先拆除第一组分流器和第五组分流器,12小时后拆除剩余分流器,若电压急剧上升应停止拆除工作,电压稳定后再继续拆除。

5 展望

铝电解槽的主要发展方向有:(1)采用惰性电极代替碳电极,例如采用氧化锡基或氧化镍基阳极,以及采用硼化钛基阴极,以减少电能量消耗;(2)通过加大现有铝电解槽的电流容量,提高单槽的生产能力并减少能量消耗的办法,来达到降低生产成本的目的;(3)实现连续下料作业,使铝电解槽的各项技术参数,如氧化铝浓度,冰晶石比、电解温度等基本达到稳定,把铝电解电流效率提高到95%以上,吨铝能量消耗降低到12000kW?h

6 结束语

随着中国经济和中国铝工业的快速发展,国外大铝业公司纷纷看好中国铝工业,拟与中国的大型企业合作,建设合资企业;或采用中国的铝电解技术在国外建厂。SY系列预焙阳极电解槽技术不仅应用在中国,还出口到国外。SAMI的铝电解技术将不断进步,为中国和世界的铝工业发展提供更先进的技术。

参考文献:

1杨重愚.轻金属冶金学 [M].版次(7).出版地:冶金工业出版社,2010114-116.

2刘建新,温国红延长铝电解槽寿命的措施【J冶金丛刊,2006,(4):44-47

3】戚喜全.电解槽内衬材料与结构的合理配置【J】.有色金属.2009,61(3): 105-108

4】梁鲁消.筑炉工艺:延长铝电解槽寿命的重要因素【J】.中国有色金属 2006,(874-75

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